Internet věcí (IoT) a vestavěné systémy

Internet věcí (Internet of Things – IoT) představuje síť fyzických objektů vybavených senzory, softwarem a dalšími technologiemi za účelem propojování a výměny dat s jinými zařízeními a systémy přes internet. Základním stavebním kamenem IoT jsou vestavěné systémy (embedded systems).

1. Co jsou vestavěné (embedded) systémy?

Vestavěný systém je počítačový systém s vyhrazenou funkcí v rámci většího mechanického nebo elektrického systému. Na rozdíl od PC není navržen pro univerzální použití, ale pro jednu konkrétní úlohu.

Charakteristiky embedded systémů:

Real-time provoz: Často musí reagovat na události v přesně definovaném čase (např. řízení ABS v autě).

Omezené zdroje: Nízký výpočetní výkon, malá paměť (v řádech KB nebo MB) a důraz na minimální spotřebu energie.

Vysoká spolehlivost: Tyto systémy běží roky bez restartu (např. v průmyslových robotech).

Architektura embedded systémů:

Mikrokontrolér (MCU): Integrovaný obvod obsahující procesor, paměť (RAM, Flash) i V/V rozhraní na jediném čipu (např. architektury ARM Cortex-M, AVR, ESP32).

Firmware: Software „vypálený“ přímo v paměti zařízení, který ovládá hardware na nejnižší úrovni.

Periferie: Senzory (vstup) a aktuátory (výstup, např. relé, motory).

2. Architektura IoT: Od senzoru ke cloudu

Typický IoT systém se skládá ze čtyř základních vrstev:

A. Vrstva zařízení (Edge devices)

Zahrnuje samotné „věci“ vybavené senzory. Provádějí sběr dat a základní předzpracování (tzv. Edge Computing).

Příklad: Chytrý termostat měřící teplotu a vlhkost.

B. Komunikační vrstva (Connectivity)

Způsob, jakým zařízení posílají data dál. Výběr závisí na dosahu a spotřebě:

Krátký dosah: Bluetooth (BLE), Zigbee, Z-Wave (vhodné pro chytrou domácnost).

Dlouhý dosah / Nízká spotřeba (LPWAN): LoRaWAN, Sigfox, NB-IoT (pro chytrá města a zemědělství).

Standardní: Wi-Fi (vysoká spotřeba), Ethernet.

C. Vrstva zpracování dat (Cloud/Gateway)

Data z tisíců zařízení se sbíhají do cloudu (Azure IoT, AWS IoT, Google Cloud), kde dochází k jejich analýze, ukládání a vyhodnocování pomocí AI.

D. Aplikační vrstva

Koncové rozhraní pro uživatele – mobilní aplikace, webové dashboardy nebo automatizované systémy řízení.

3. Klíčové protokoly v IoT

Standardní HTTP je pro IoT často příliš „těžkopádné“. Proto se používají lehké protokoly:

MQTT (Message Queuing Telemetry Transport): Funguje na principu Publish/Subscribe. Extrémně nenáročný na přenosové pásmo.

CoAP (Constrained Application Protocol): Podobný HTTP, ale optimalizovaný pro binární přenos přes UDP.

LwM2M (Lightweight M2M): Standard pro vzdálenou správu IoT zařízení (aktualizace firmwaru, diagnostika).

4. Oblasti využití IoT

Chytrá domácnost (Smart Home): Osvětlení, zabezpečení, vytápění ovládané hlasem nebo automaticky.

Průmysl 4.0 (IIoT): Prediktivní údržba strojů (senzor vibrací pozná blížící se poruchu dříve, než nastane).

Smart City: Inteligentní parkování, řízení veřejného osvětlení podle pohybu osob, chytré odpadové hospodářství.

Zemědělství (AgriTech): Sledování vlhkosti půdy a automatické zavlažování šetřící vodu.

E-Health: Nositelná elektronika (wearables) monitorující srdeční tep a spánek pacienta.

5. Rizika a výzvy

IoT přináší revoluci, ale i značná rizika:

Bezpečnost: Mnoho levných IoT zařízení nemá žádné zabezpečení. Útočníci je mohou zneužít k tvorbě botnetů (např. útok Mirai) pro DDoS útoky.

Soukromí: Neustálý sběr dat o pohybu a zvycích uživatelů v jejich domovech.

Interoperabilita: Problém „uzavřených zahrad“ (zařízení od různých výrobců spolu často neumí mluvit). Tento problém se snaží řešit nový standard Matter.

Standardizace napájení: Jak napájet miliardy senzorů? Řešením je Energy Harvesting (získávání energie z okolního světla, tepla či vibrací).

Související články:

Senzory a měření dat

IP adresy (IPv6 a budoucnost IoT)

Zabezpečení a šifrování komunikace

Tagy: tag>iot embedded_systems microcontroller mqtt smart_home industry_4.0